技术盛宴 | 你真的足够了解Wi-Fi吗?

标签:Wi-Fi MIMO流
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1971年6月,第一个数据包以9600bps的速率在一个名为ALOHAnet无线网络上发送成功,该网络采用的ALOHA通信协议就是后面IEEE 802.11协议的先行者。为了支撑无线网络通信,在1985年,美国政府机构联邦通信委员会(FCC)开放了几个无线射频(RF)频段,无需许可即可使用,包括 900 MHz、2.4 GHz和5 GHz。这些被称为“垃圾带”无线频段取自工业、科学和医疗频段(ISM),以及未经许可的国家信息基础设施频段(U-NII)。

后来电气和电子工程师协会(IEEE)成立了802.11委员会,负责开发和发布无线局域网(WLAN)标准。该委员会于1997年6月发布了第一个IEEE 802.11标准规范,使用了未经许可的2.4 GHz频段,采用跳频(FHSS)及前向纠错码(FEC)实现2Mbps的传输速率。之后在1999年对802.11原始标准修订后,发布802.11a与802.11b。

为了实现Wi-Fi产品及终端的兼容和互通,在1999年,成立了行业协会Wi-Fi Alliance®,负责Wi-Fi产品的互操作性测试和认证。同时,它创造了Wi-Fi ®的名称并对其进行了商标注册。

下图为Wi-Fi协议发展历程。

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▲图1:Wi-Fi协议发展历程

以下将会以历代协议发布的时间顺序,对每一代Wi-Fi协议展开描述。

Wi-Fi协议的发展

802.11b

IEEE于1999年发布了802.11b标准。802.11b使用与原始802.11标准相同的2.4 GHz频率,采用高速直接序列扩频(HR/DSSS)的简单调制技术,并且使用了补充代码键控(CCK)编码,它支持的最大理论速率为11 Mbps,是802.11正式标准中传输速率最慢的标准。由于802.11b工作在2.4 GHz,家用电器或其他使用2.4 GHz的网络可能会对其造成干扰。

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▲图2:802.11b主要特性

802.11和向后兼容性

从一开始,各种802.11标准就是为了向后兼容而设计的,因此传统设备可以在与新一代设备相同的网络中运行。然后网络管理员可以慢慢改进他们的设备,而无需在每个新标准版本上进行彻底替换。这有助于802.11技术的持续发展。但是,802.11b在易于向后兼容方面是个例外。802.11b是唯一不使用正交频分复用(OFDM)调制的标准。因此使用OFDM的802.11标准的设备必须确保802.11b设备知道将要传输的所有流量,包括无法解码的流量。

这是通过使用请求发送(RTS)/清除发送(CTS)消息作为保护机制来完成的。每次设备准备好发送流量时,它首先发送RTS消息,该消息由CTS消息进一步确认。这意味着对于每个数据帧,必须传输另外两个管理帧。这会在网络上产生大量流量开销并且显得比较低效率。某些网络管理员选择从无线AP上禁用802.11b速率(1,2,5.5和11 Mbps)以避免此问题。目前仅使用802.11b的客户端在目前变得越来越罕见,停止支持802.11b速率是有道理的。但是,这个选择会限制Wi-Fi的覆盖范围。当信号质量较低时,非802.11b设备可能会回退到802.11b速率。因此,在无线AP上禁用1,2,5.5和11 Mbps速率将阻止边缘客户端连接。

802.11a

802.11a标准也在1999年由IEEE发布。802.11a工作在不太拥挤的5 GHz频段,使其不易受到干扰。该标准使用与原始标准相同的数据链路层协议和帧格式,但采用了新的基于OFDM调制的空口物理层及最高64-正交振幅调制(QAM)编码,理论最高速率54 Mbps,带宽远高于802.11b。OFDM是一种在20MHz频宽上可以扩展52个数据子载波的调制方法,通过并行传输大大提升传输速率。但由于802.11a设备的实施成本和复杂性,在当时首批商业部署的Wi-Fi大都使用802.11b标准,这就是早期802.11a设备在市面上少见的原因。

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▲图3:802.11a主要特性

802.11g

IEEE于2003年发布了802.11g标准,802.11g结合了修正案802.11a和802.11b的功能。802.11g标准采用与802.11a相同的OFDM调制技术,使用64-QAM编码技术,与802.11a一样,它支持最高理论速率54 Mbps。但是802.11g与802.11b一样,它工作在拥挤的2.4 GHz频段,因此容易遇到与802.11b相同的干扰问题。802.11g向后兼容802.11b设备,802.11b终端可以连接到802.11g接入点(但是工作在802.11b的速度),这使用户更容易过渡到这种新技术,因为他们可以在切换到新标准的同时保留一些旧终端。

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▲图4:802.11g主要特性


802.11n(Wi-Fi 4)

IEEE于2009年发布802.11n修正案。802.11n带来了许多新的功能。802.11n支持2.4 GHz和5 GHz两个频段,向后兼容802.11a/b/g,并允许使用更高的40MHz带宽(捆绑2条20MHz信道)。802.11n仍然使用OFDM和64-QAM,但在天线部分中引入了一个重要特性——多输入多输出(MIMO),即设备可以使用多个天线同时收发,发射器和接收器中最多4个天线,从而提高了系统吞吐量和稳健性,而不需要更高的带宽或发射功率。利用所有这些特性和一些额外的改进(对802.11标准的单一MAC层协议进行优化等),使用802.11n标准的设备整机可以达到600Mbps的吞吐量,与之前的协议相比增加了10倍。凭借802.11n标准,Wi-Fi变得更快,更可靠。

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▲图5:802.11n主要特性


802.11ac(Wi-Fi 5)

802.11ac技术工作在5 GHz频段,协议标准分为两个阶段,包括802.11ac Wave1与802.11ac Wave2,分别在2014年和2015年发布,向后兼容802.11a/b/g/n。支持802.11ac Wave1的设备能够以3.4 Gbps的速度进行传输,而Wave 2设备则能够以6.9 Gbps进行传输,设备的速度几乎是802.11n的8倍。802.11ac增加了MIMO流的数量(从4条到8条),并通过进一步编码性能(高达256-QAM)来提高信道利用率,能够在高达160 MHz的信道上运行。它还引入了下行链路多用户-多输入多输出(DL MU-MIMO)技术提升空口利用率,MU-MIMO允许设备同时向多个终端进行下行传输,最多4个终端同时传输。

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▲图6:802.11ac主要特性


802.11ax(Wi-Fi 6)

802.11ax标准于2019年发布。802.11ax工作在2.4 GHz和5 GHz两个频段,并且也能够兼容以前的Wi-Fi设备。802.11ax从两个大方面实现了高速率、大并发的性能目标,其中MU-MIMO和正交频分多址(OFDMA)是802.11ax成功的关键。OFDMA机制可以同时为多个终端提供较小但专属的子信道,进而改善每个终端的平均传输速率;上行和下行方向多用户-多输入多输出(UL/DL MU-MIMO),实现上行链路最多可同时为8个用户提供服务,容量是802.11ac的8倍,下行链路最多可同时为8个用户提供服务,容量是802.11ac的2倍。另外采用1024-QAM、空间复用(Spatial Reuse)、基本服务集着色(BSS Coloring)、网络分配矢量(NAV)、目标唤醒时间(TWT)等功能机制,802.11ax可以提供高达9.6Gbps的传输速率。

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▲图7:802.11ax主要特性


全新的Wi-Fi命名规则

在2018年,Wi-Fi联盟采取措施使Wi-Fi标准名称更容易识别和理解。他们将已推出的802.11ax标准改为Wi-Fi 6,并且还将之前发布的两个标准802.11n与802.11ac分别重命名为Wi-Fi 4和Wi-Fi 5。 下面表格为历代Wi-Fi协议的对比。

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▲表1:历代Wi-Fi协议对比

 

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技术盛宴 | 你真的足够了解Wi-Fi吗?

第一个Wi-Fi网络出现在20世纪90年代末期,21世纪初进入快速发展时期。现如今,人们使用移动智能终端越来越频繁,而大多数移动设备没有以太网接口,这使得Wi-Fi已成为移动通信的首选接入技术。Wi-Fi不仅用于家庭,还用于全球的企业和公共场所。Wi-Fi标准的技术名称是IEEE 802.11,这也意味着IEEE在维护这个标准。接下来我们来看看Wi-Fi的由来